智能制造發展現狀及趨勢

孔凡國，俞雯瀟

（五邑大學 智能制造學部，廣東 江門529020）

0 引 言

當前，國內外的各制造業企業不僅要面對來自消費者日益增長的物質需求，更要應對資源和環境等帶來的挑戰。因此，依靠現有的制造技術水平是不足以滿足消費者對物質的需求及應對環境所帶來的負面影響。為了妥善處理這類問題，解決制造業面臨的瓶頸，就必須對制造工業進行一場科技改革[1]。隨著科技的不斷進步，以互聯網、大數據、物聯網等為主的新一代信息技術的飛速發展[2],各種現代化、智能化技術越來越廣泛地應用在制造業上，推動著制造業不斷創新發展，同時也成為新工業革命強有力的推動力量。智能制造作為新工業革命的關鍵技術，與傳統制造業相比，其不僅在發展理念上有著重大的改變；在制造方式上更是通過融合了ICT技術來實現制造的智能化。當然，新一代的制造技術還處于發展和不停探索階段，但其對制造業的發展路徑、體系及產業形態已經產生根本性跨越，并推動著制造業邁向新的時代[3]。

1 國內外智能制造發展現狀

1.1 德國

工業4.0概念是由德國在漢諾威工業博覽會上最先提出來的，它指的是第四次工業革命，在此次工業革命中，以智能化為主的智能通信網絡系統和云計算服務平臺被研制出來[4]，并投放于智能制造產業中。不僅如此，德國還專注于對智能遙感、無線傳感網絡等方面的研究。將其與通信系統和云計算平臺相結合可以對制造業生產中的數據進行集成和分析[5]，通過數據分析及反饋信息可以對各個制造部位進行實時監控，確保生產制造的每個環節順利進行。

數據的精確分析和處理是智能制造的關鍵所在，工業4.0的目標就是通過一系列的現代化技術對制造機械實施精確控制，通過網絡通信技術對生產制造過程進行遠程控制和生產管理[6]。

1.2 美國

2012年，美國通用電氣公司（GE）提出了工業物聯網（IIOT）概念，在該理念中將智能制造設備、數據分析和網絡人員作為未來制造業的關鍵要素，以實現人機結合的智能決策。

工業互聯網由三部分組成，分別是智能設備、智能系統和智能決策[7]。它可以被認為是數據與軟硬件之間的互通橋梁，還可以分析和處理來自智能設備的數據，為智能決策提供數據上的支撐。工業互聯網最大的潛力是通過將自身組成部分與制造機器、材料、系統網絡等整體進行集成，得到最后的智能決策，最終實現智能制造。

1.3 日本

在德國工業4.0計劃的影響下，日本于2015年啟動了與工業4.0相對應的產業價值鏈促進會（IVI），即通過互聯網將所參與不同的企業連接起來，且參與此次計劃的企業大都是本行業的佼佼者。利用政府提供的平臺，各企業相互合作，將網絡信息技術與工業制造相結合來推動“智能工廠”的實現。此外，IVI還在基于企業自然合作前提下提倡兩個基本原則：關聯制造和可變標準。前者是依靠智能化連接的工廠來處理過剩資源，達到不浪費、充分利用資源的目的；后者提出的是一種自適應模式，在外部條件發生變化時可以自動進行自我調整以適應當前變化。無論是以智能化方式利用過剩資源還是一種可變化的自適應模式，都是在發展智能制造過程中所必備的。

1.4 中國

為了提升中國制造能力，將中國由制造大國變為制造強國，中國國務院在2015年頒布了一項針對國內制造業為期10年的計劃《中國制造2025》。在此計劃中明確了中國制造業的下一步指導思想和戰略目標，其中包括以下9項任務：1）全面增加國內制造業創新能力；2）促進信息和工業化的深度融合；3）加強基礎工業產能；4）發展中國質量品牌建設；5）推廣環保制造；6）推進重點領域的突破；7）推動制造業的結構調整和重組；8）推進面向服務的制造和生產行業；9）增加國際制造業的參與。

近年來，在國家出臺支持制造業轉型的政策后，中國在智能制造方面取得了不少的進展。云制造作為一種先進、前沿的制造方式，最早也是由中國提出的，且其諸多成果被國際學術界所引用和認可[8]。此外，中國在無人駕駛汽車、工業機器人、增材制造等關鍵領域也取得突破性進展，初步形成了智能制造標準體系[9]，為國際智能制造業做出了重大貢獻。

2 智能制造關鍵技術

科學技術是社會發展的根本動力，進入21世紀以來，隨著數字化、網絡化和智能化水平的不斷進步和突破，推動著制造業進入了一個新的發展階段：智能制造。其從根本上提高了生產和利用效率，極大地解放了人類的體力和腦力。而使得智能制造系統越來越強大的則是新一代的網絡通信技術、云制造、物聯網和大數據等關鍵技術的發展和應用。

2.1 物聯網

物聯網指的是電力、軟件、傳感器等事物所連接的一個網絡互聯世界。在物聯網中，各種物體都嵌入了傳感器或其它電子設備，在網絡的互聯下進行數據的采集和交換[10]。物聯網以網絡為基礎設施提供物理現實對象和計算機系統的高級連接，并實現對傳感器采集數據的分析，提高制造的質量和效率。將物聯網用于制造業相當于給制造系統裝配了信息網絡技術，這為開發人員實現智能制造提供了制造信息集成基礎。

2.2 Cyber-Physical系統

網絡物理系統（CPS）是物理對象和軟件進行緊密聯系的計算協作系統，同時也可以訪問互聯網上的數據及提供數據處理服務。CPS涉及多門學科知識，其應用也涉及多個領域，尤其在制造業中，CPS與物聯網、大數據等密切相關，是實現智能制造的關鍵技術之一。雖然目前對CPS的研究還處于起步階段[11]，但學術界和工業界早已將其作為重點研究領域，也將其視為發展制造業的有力競爭手段。

2.3 云制造

云制造是一種創新型制造方法，是指在物聯網、面向服務技術支持下將制造資源轉化為可共享和一種以客戶為中心的先進制造模式[12]。它利用按需訪問和分布式制造方式實現最優資源加載響應和提高產品制造效率，同時它也涵蓋了產品從設計、制造、測試到維護整個生命周期。因此也被稱為一個集智能生產和管理的制造系統。在云制造中，利用虛擬化技術將生產資源上傳到云服務系統中，利用相關互聯網技術對上傳的資源進行分類和封裝，并提供用戶訪問和調用資源等各項服務[13]，實現資源的共享和流通。同時也促進云制造的發展，為智能制造提供技術上的支持。

2.4 大數據分析

大數據指的是因其范圍廣、規模大、結構復雜而無法在一定時間內用常規數據處理方法進行處理的數據集合。隨著互聯網技術的迅猛發展，數據的獲取無處不在，大數據來源于生活中的方方面面。因此，需要特殊的技術和方法對大數據進行預測分析，從中提取出有價值的數據。在此背景下，大數據分析技術逐漸形成。雖然利用現代化工具（例如智能傳感器）可以很方便獲取到數據，但要實現智能制造需要對產品開發的每一個環節中的數據進行有效處理，以便在確定的開發環節中獲取到正確的信息[14]。因此大數據分析技術的關鍵就在于數據能否被正確處理和利用，這對實現智能制造是至關重要的。

3 智能制造發展趨勢

智能制造正在發展，它所帶來的既是機遇更是挑戰，要實現現在的制造業向未來的制造業轉變是一項艱巨且持久的任務。由于對未來的技術和發展水平的不確定性，因此很難準確把控智能制造的走向。但盡管如此，我們還是可以依據現有的技術發展方向及制造業的一些特征對智能制造的發展趨勢做如下幾點概述。

3.1 材料和工藝

新材料和新工藝的開發促進了產品的設計和制造，為產品的發展帶來創新性，同時也為智能制造打開了一扇新的大門。制造創新在很大程度上依賴于材料的可獲取性及新工藝的出現。一般情況下，由于材料的開發周期要長于產品開發周期，所以應加快對材料的研發；而新工藝的出現將會加大材料、產品設計、產品制造和設備的整合。但考慮到材料的種類和工藝的數量龐大，以及材料和工藝的信息與數據的微觀結構、性能、功能和組成。面對如此大量的信息，需要相關領域的工作人員進行有效挖掘和分析，并通過互聯網將關鍵信息傳遞給相關部門，以加速材料和工藝的發展創新，為進一步推動智能制造做準備。

3.2 預測工程

預測工程是制造業在解決預期方案領域的最新研究方向之一，也將是未來制造業發展的重要趨勢之一。它帶來的是對制造過程及設備未來狀態的預測，而在傳統制造業上對數據進行采集分析、對產品進行質量監控等主要是針對制造的過去。預測工程提供了一種高保真模型，利用此模型可以在一定程度上預測未來狀態。顯然，如果在制造業中能夠提前預測到生產力、產品質量和運輸狀況等關鍵信息，就能提前做出決策防患于未然。此外，在保證產品質量和效率的同時降低設備維護的成本，開發相應的智能維護模型是至關重要的。目前，已研究出一種利用歷史數據時間行為的深度遞歸神經網絡，可用于預測缺陷的擴展和估算出機械設備或零部件的剩余使用壽命[15]，以便知道何時應該維護或更換已報廢的零部件。

對于目前已有的預測工程來說，主要存在兩點還有待在未來進一步發展：其一，在制造業當中用于實際工程應用的預測分析種類還不多，很多需要進行工程預測的環節都因為缺少相關預測方法而無法執行；其二，現有的預測方法在精度上還有待優化和提高。

3.3 資源共享

隨著互聯網的發展和普及，制造業也變得越來越數字化和虛擬化，且許多創造性技術也將在虛擬空間中進行。雖然對于專有技術的實體制造可以得到知識產權的保護，但在數字化空間里的資源可能是高度透明的，這就允許企業間可以相互共享資源。目前，共享資源模式已在其它行業中取得了階段性成功，例如：為緩解交通壓力減少私家車出行的共享汽車和共享單車，還有住宿服務領域的Airbnb等共享行業。因此，在未來的智能制造領域也將會出現共享制造設備、軟件、知識及共享協作建模等共享模式[16]。

在制造業中除了制造設備之外，運輸也是一種很重要的資源，且任何制造都離不開運輸。運輸可分為兩類：外部運輸，主要是指向公司提供供應服務和公司產品對外分銷服務；內部運輸，主要是指材料在生產流程中的運輸。從制造的角度來看，無論是外部運輸還是內部運輸都是一種非增值活動。而運輸的距離是相對固定的，因此，引發了一種可降低運輸成本的想法，即共享運輸：一種利用互聯網將制造與供應和分銷連接組成的運輸網絡，可同時為多家供應端和配送提供一個最優解決方案。資源共享的利用無疑是推動制造業發展的重要因素之一。

3.4 可持續制造

制造業在給世界經濟帶來飛速發展的同時，也導致了許多環境問題。并且隨著人口的日益增長和消費水平的提高，人類將面臨更嚴重的社會環境壓力[17]。因此當前全球化所面臨的最大挑戰是既要滿足世界人口不斷增長的物質需求，同時又要確保人類在環境、經濟和社會上的可持續發展。為了應對這個巨大的挑戰，迫切需要將制造業朝著可持續化制造方向發展。

可持續制造是實現可持續發展目標在制造業實施的結果[18]，是一種以節約自然資源，努力將制造產生的污染物降到最低，且在經濟上是可行的生產過程[19]。因此實現制造業的可持續性對可持續發展是至關重要的。雖然可持續制造理念已被廣大群眾所接受，但對制造商而言仍然要面臨許多挑戰：投資成本高、回報周期長及在實踐層面上缺乏技術性指導[20]。因此要完成可持續制造從理念到現實的轉變還任重而道遠。

4 結 論

智能制造是制造業的一場新革命，它是制造技術與前沿ICT相融合的新典范；但盡管如此，對于開始是應用于其它領域的前沿技術，如大數據或CPS，必須要結合制造業的特點和要求進行應用和發展。為了實現智能制造，從物聯網、大數據、CPS到增材制造、全息圖等各個領域的尖端技術都應用于制造業的開發和研究。此外，智能制造所遵循的并非僅僅只在經濟效益上產生效果，如降低成本和提高生產率，更應該創造出新價值，不斷為社會做貢獻。同時還必須堅持以人為本，以社會為導向的先進理念，實現制造業的可持續發展戰略。